DE19602554C1 - Verfahren und Vorrichtung zum gleichzeitigen Gießen und gerichteten Erstarren von mehreren Gußkörpern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum gleichzeitigen Gießen und gerichteten Erstarren von mehreren Gußkörpern nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Durch den Aufsatz von Hugo/Mayer/Singer "Directional and Single Crystal Solidification using Liquid Metal Cooling" veröffentlicht in "Proceedings of the 42nd Annual Technical Meeting 1994" (25. bis 28. September 1994, Ritz-Carlton Hotel in Buckhead, Atlanta, Georgia, USA) sind zwei grund­ sätzlich verschiedene Verfahren zum gerichteten Erstarren von Gußkörpern bekannt, nämlich:

• a) ein dem eingangs angegebenen Verfahren ähnliches Verfah­ ren mit Strahlungskühlung, allerdings mit einer scheiben­ förmigen geschlossenen Kühlplatte und
• b) ein Verfahren zum Kühlen durch Eintauchen der Gießformen in ein Kühlbad und Wärmeleitung.

Zwischen diesen Verfahren wird deutlich unterschieden.

Eine Vorrichtung mit einer Vakuumkammer, in der ein Verfah­ ren mit Strahlungskühlung gemäß a) durchgeführt werden kann, ist in der DE 44 15 855 C1 beschrieben. Durch Ausbildung eines steilen vertikalen Temperaturgradienten bildet sich in den Gußkörpern eine Phasengrenze fest/flüssig aus, die nach Maßgabe der Bewegungsgeschwindigkeit der Gußkörper relativ zum unteren Rand der Heizkammer von unten nach oben durch die Gußkörper wandert und eine gerichtete und/oder einkri­ stalline Erstarrung der Gußkörper bewirkt.

Dabei besteht jedoch der Nachteil , daß die ringförmig auf dem Rand einer kreisscheibenförmigen Kühlplatte aufgestell­ ten Gießformen ihre Wärmeenergie überwiegend nur nach außen abstrahlen und an die Wand der Vakuumkammer abgeben können. Die nach innen abgestrahlte Energie trifft zumindest teil­ weise auf die übrigen Gießformen auf und heizt diese auf oder wird sogar mehrfach von den einzelnen Gießformen im Hohlraum zwischen den Gießformen reflektiert. Die Folgen sind in jedem Gußkörper zusätzlich zu den vertikalen Tempe­ raturgradienten relativ steile horizontale bzw. radiale Temperaturgradienten, die den Verlauf der Phasengrenzen ungünstig beeinflussen. Schon dadurch wird die Erstarrungs­ geschwindigkeit begrenzt.

Weiterhin strahlen die in der Heizkammer vorhandenen Heiz­ elemente ihre Energie durch die Abstände zwischen den Gieß­ formen bzw. die Gießkanäle in den Hohlraum zwischen den Gießformen ein, so daß die Kühlung durch Abstrahlung aus dem bereits erstarrten Bereich der Gußkörper verschlechtert wird. In der Summe wird hierdurch die Produktionsgeschwin­ digkeit stark beeinträchtigt, und zwar insbesondere bei der Herstellung großer Gußteile wie z. B. langer Turbinenschaufeln mit entsprechend großen Querschnitten.

Vergleichbare, d. h. einseitige Erstarrungsbedingungen treten auch bei den Verfahren und Vorrichtungen nach der US 4 773 467 und der DE 26 57 551 B2 auf, bei denen die Kühlplatten geschlossen bzw. scheibenförmig ausgebildet sind. Zwar ist die Kühlplatte nach der DE 26 57 551 B2 selbst ringförmig ausgebildet, jedoch ist die Mittenbohrung durch das obere Ende einer fest eingesetzten Tragstange verschlossen, die zum Absenken der Gießformen dient. Es ist ausdrücklich angegeben, daß durch die Tragstange keine Wärmeabfuhr erfolgen soll. Von der DE 26 57 551 B2 geht die Erfindung gemäß Gattungsbegriff aus.

Durch die gattungsfremde DE 28 15 818 A1 und den bereits genannten Aufsatz von Hugo/Mayer/Singer ist es weiterhin bekannt, eine scheibenförmige Abschreckplatte mit mehreren Gießformen zwecks Erhöhung der Steilheit des Temperatur­ gradienten gemäß b) in ein Kühlbad aus geschmolzenem Metall (Zinn, Aluminium) einzutauchen und die Wärme aus den Gieß­ formen durch Wärmeleitung in das Kühlbad abzuführen. In der DE 28 15 818 A1 wird jedoch angegeben, daß es erforderlich ist, auf dem Kühlbad eine Isolierplatte schwimmen zu lassen, um die Verdampfung von Zinn in dem erforderlichen Vakuum zu verhindern. Außerdem muß der Tank für das Kühlbad wegen der Zufuhr von Wärme aus den Formen seinerseits am oberen Ende gekühlt und am unteren Ende beheizt werden, um eine vorge­ gebene Temperatur einhalten zu können. Erforderlichenfalls muß die Temperaturhomogenität durch eine Rührvorrichtung erzwungen werden. Für eine große Zahl von Gießformen sind ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung entweder nicht geeignet, oder sie erfordern aufwendige Anlagen. Ins­ besondere ist der regelungstechnische Aufwand beträchtlich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Steil­ heit des vertikalen Temperaturgradienten zu erhöhen und da­ durch die Produktionsgeschwindigkeit von gerichtet und/oder einkristallin erstarrten Gußkörpern zu steigern und hierbei die Steilheit des radialen bzw. horizontalen Temperaturgra­ dienten zu verringern.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs angegebenen Verfahren erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1.

Hierdurch wird die gestellte Aufgabe in vollem Umfange gelöst, d. h., es wird die Steilheit des vertikalen Tempera­ turgradienten erhöht und dadurch die Produktionsgeschwindig­ keit von gerichtet und/oder einkristallin erstarrten Gußkör­ pern gesteigert und hierbei die Steilheit des radialen bzw. horizontalen Temperaturgradienten verringert.

Der Ausdruck "ringförmig" bedeutet in Zusammenhang mit der äußeren Kühlplatte nicht unbedingt "kreisringförmig" , son­ dern schließt alle rotationssymmetrischen rahmenförmigen geometrischen Formen ein wie z. B. rechteckig, quadratisch oder sonstwie polygonal. Im Ergebnis kann die äußere Kühl­ platte auch aus Ringsektoren zusammengesetzt sein, die mit relativ geringen Zwischenräumen auf dem Umfang aneinander­ gereiht sind.

Die Wärmesenke ermöglicht die Abstrahlung nicht nur von den äußeren Formwänden, sondern auch von den inneren Formwänden, steigert dadurch die gesamte Wärmestrahlungsleistung und verbessert dadurch den Verlauf des vertikalen Temperaturgra­ dienten. Weiterhin werden durch die gleichmäßigere Abstrah­ lung der Wärmeenergie von allen Oberflächen gleichmäßigere Temperaturgradienten auch in horizontaler Richtung erzielt, d. h., über den Querschnitt der Gußkörper bzw. Turbinenschau­ feln.

Durch die erzielbaren steileren vertikalen Temperaturgradi­ enten werden die Ökonomie des Herstellprozesses und die Produktqualität erhöht. Hierzu gehören die Verbesserung der Mikrostruktur wie z. B. kleinere Dendritenabstände, geringere Neigung zur Fehlkornbildung, verringerte Entmischung bei Legierungen und geringere Porosität der Gußkörper.

Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn am Austrittsende der Heizkammer ein ringförmiges Strahlungsbaffle und zumin­ dest im wesentlichen konzentrisch in diesem ein scheiben­ förmiges Strahlungsbaffle angeordnet sind und wenn die ringförmig angeordneten Gießformen durch den zwischen den beiden Strahlungsbaffles gebildeten Ringspalt kontinuierlich in den Einflußbereich der Wärmesenke bewegt werden.

Hierdurch wird der Einfall von Strahlungsenergie aus der Heizkammer in den Hohlraum zwischen den Gießformen praktisch völlig ausgeschaltet.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum gleichzei­ tigen Gießen und gerichteten Erstarren von mehreren Guß­ körpern nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.

Zur Lösung der gleichen Aufgabe ist eine solche Vorrichtung erfindungsgemäß gekennzeichnet durch die Merkmale im Kenn­ zeichen des Patentanspruchs 6.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn am Austrittsende der Heizkammer ein ringförmiges Strahlungsbaffle und zumin­ dest im wesentlichen konzentrisch in diesem ein scheiben­ förmiges Strahlungsbaffle angeordnet sind und wenn die ring­ förmig angeordneten Gießformen durch den zwischen den beiden Strahlungsbaffles gebildeten Ringspalt kontinuierlich in den Einflußbereich der Wärmesenke bewegbar sind.

Im Zuge einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgegen­ standes ist es besonders vorteilhaft, wenn der axiale Abstand zwischen der Heizkammer und der Wärmesenke während des Erstarrungsvorganges konstant ist.

Eine besonders kompakte und einfach zu steuernde Produkti­ onsanlage ist gemäß der weiteren Erfindung dadurch gekenn­ zeichnet, daß die ringförmige Kühlplatte mit den Gießformen auf einem Transportwagen angeordnet ist, der eine Öffnung aufweist, durch die die Wärmesenke von einer Position unter­ halb des Transportwagens in eine Position oberhalb des Transportwagens anhebbar ist.

Es ist dabei wiederum von Vorteil, wenn die Wärmesenke als Kühlkörper ausgebildet ist, dessen axiale Länge mindestens den Höhenabmessungen der Gießformen entspricht.

Die geometrische äußere Form des Kühlkörpers kann dabei sehr vielfältig sein, wobei die einfachste Form die eines Zylin­ ders ist. Es ist jedoch zur Verbesserung des Wärmeübergangs zweckmäßig, den Kühlkörper mit achsparallelen und/oder radialen Rippen zu versehen, die durch einen Plattenstapel gebildet werden können, der einen von einer Kühlflüssigkeit durchströmten Hohlkörper umgibt. Dabei können radiale Rippen auf dem Umfang eine Wellenstruktur erhalten, um einen "Durchblick" durch die Zwischenräume für die Wärmestrahlung zu verhindern. Der Grundriß der Kühlkörpers kann zur Ober­ flächenvergrößerung aber auch sternförmig, prismatisch, polygonal etc. ausgebildet sein. Der Kühlkörper sollte jedenfalls einen möglichst großen Teil des Hohlraums zwischen allen Gießformen einnehmen und die Sichtverbindung zwischen den einzelnen Gießformen so weit wie irgend möglich zu verringern.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegen­ standes ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes und seine Wirkungsweise werden nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert; der Stand der Technik und seine Wirkungs­ weise werden anhand der Fig. 5 und 6 aufgezeigt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch die Vorrichtung in der Aufheiz- und Gießposition der Gießformen,

Fig. 2 die Vorrichtung nach Fig. 1 kurz vor dem Ende der gerichteten Erstarrung,

Fig. 3 eine vertikale Draufsicht auf die Gießformen in Richtung des Pfeils III in Fig. 2,

Fig. 4 einen Horizontalschnitt durch den Gegenstand von Fig. 2 entlang der Linie IV-IV, jedoch ohne den Transportwagen,

Fig. 5 einen Vertikalschnitt durch eine bekannte Vor­ richtung analog der Darstellung in Fig. 2 und

Fig. 6 einen Horizontal schnitt durch den Gegenstand von Fig. 5 analog Fig. 4.

In den Fig. 1 und 2 ist ein Transportwagen 1 dargestellt, der mittels Rädern 2 auf Schienen 3 horizontal verfahrbar ist. Der Transportwagen 1 trägt eine ringförmige Kühlplatte 5, die über Leitungen 6 und 7 an einen Kühlkreislauf 4 ange­ schlossen ist. Koaxial zur Kühlplatte 5 ist im Transport­ wagen 1 eine Öffnung 8 angeordnet, die den vertikalen Durch­ tritt einer Wärmesenke 9 ermöglicht, die als wassergekühlter Hohlkörper mit einer zylindrischen Außenfläche 10 ausgebil­ det ist. Die Wärmesenke 9 ist ortsfest, aber entlang der Achse A-A vertikal verschiebbar gelagert und so weit in eine Position 9a in eine Grube G (gestrichelt dargestellt) ab­ senkbar, daß der Transportwagen 1 zum Formenwechsel bewegt werden kann. Die Achse A-A bestimmt auch die Lage der Öff­ nung 8 beim Vorheizen, Gießen und Erstarren.

Auf der Kühlplatte 5 ist in konzentrischer Anordnung zur Achse A-A (Fig. 3 und 4) um einen zentralen Hohlraum H herum stehend eine Gruppe von verlorenen Gießformen 11 aus keramischen Werkstoffen angeordnet, die über Gießkanäle 12 mit einem Eingußtrichter 13 verbunden sind. Von den Gieß­ formen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nur zwei diametral gegenüberliegende Gießformen gezeigt, die übrigen sind nicht dargestellt.

Die Gießformen 11 sind - zur Erwärmung auf Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur des Gußwerkstoffs - konzen­ trisch von einer Heizkammer 14 umgeben, die am oberen Ende bis auf eine Eingußöffnung 15 durch einen Deckel 16 ge­ schlossen ist. Die Heizkammer 14 trägt auf ihrer Innenseite eine Gruppe von Strahlungsheizkörpern 17 mit elektrischen Anschlußkontakten 18 und an ihrem unteren Ende ein ringför­ miges Strahlungsbaffle 19. Konzentrisch zu diesem ist auf die Wärmesenke 9 ein scheibenförmiges Strahlungsbaffle 20 aufgelegt, derart, daß zwischen den beiden Strahlungsbaffles 19 und 20 ein breiter Ringspalt 21 besteht, durch den die Gießformen 11 mit geringen Abständen hindurchbewegt werden können. Beim Absenken der Wärmesenke 9 in die Grube G legt sich das Wärmebaffle 20 auf die Oberseite 1a des Transport­ wagens 1 auf und wird beim Anheben der Wärmesenke wieder mit nach oben mitgenommen (Fig. 1 und 2). Während des Erstar­ rungsprozesses ist die Eingußöffnung 15 nach oben hin durch einen Strahlungsschutz 14a abgedeckt.

Die gesamte Anordnung ist von einer Vakuumkammer mit Schleu­ senventilen für die Durchfuhr des Transportwagens 1 umgeben, die jedoch hier nicht dargestellt sind. Innerhalb der Vakuumkammer ist die Heizkammer 14 anhebbar untergebracht, und zwar synchron mit der Wärmesenke 9 und dem Strahlungs­ baffle 20 (Pfeile 22 und 23 in Fig. 2).

Vorzugsweise ist die gesamte Anlage ein Vakuum-Feingußofen, der zum Herstellen von Bauteilen in nahezu ihrer Endform dient. Für hochbeanspruchte Teile wird das Verfahren der gerichteten Erstarrung und der einkristallinen Erstarrung angewendet.

Fig. 1 zeigt einen Verfahrensabschnitt, in dem die Gieß­ formen 11 vorgeheizt und zum Abguß in den Gießtrichter 13 bereit sind.

Fig. 2 zeigt die Verhältnisse unmittelbar vor dem Ende des Erstarrungsprozesses, d. h. die Heizkammer 14 mit dem Strah­ lungsbaffle 19 und die Wärmesenke 9 mit dem Strahlungsbaffle 20 sind über praktisch die gesamte Höhe der Gießformen 11 angehoben, und diese können ihre Wärmeenergie in Richtung der waagrechten Pfeile sowohl nach außen als auch nach innen zur Wärmesenke 9 abgeben.

Die Fig. 2 zeigt sehr deutlich, in welch starkem Maße das scheibenförmige Wärmebaffle 20 eine Einstrahlung von Wärme in den Raum unterhalb dieses Wärmebaffles verhindert. Insbe­ sondere wird dabei auch der Strahlungseinfluß der Strah­ lungsheizkörper 17 durch die Gießkanäle 12 und durch die Abstände zwischen den Gießformen 11 hindurch auf diese Gießformen 11 unterbrochen.

Es versteht sich, daß die Bewegung auch in kinematischer Umkehrung erfolgen kann, d. h., die Gießformen 11 werden dann mit der ringförmigen Kühlplatte 5 gegenüber einer festste­ henden Heizkammer und einer feststehenden Wärmesenke mit einer Geschwindigkeit abgesenkt, die auch hierbei in unmit­ telbarem Zusammenhang mit der Wanderungsgeschwindigkeit der Phasengrenze steht.

In Fig. 3 ist der sternförmige Verlauf der Gießkanäle 12 vom Eingußtrichter 13 zu den einzelnen Gießformen 11 gezeigt.

In Fig. 4 sind die Formhohlräume 24 für den Guß von Turbinenschaufeln dargestellt. Sie sind von den dünnwandigen keramischen Gießformen 11 umgeben. Aus Fig. 4 geht auch hervor, daß die Wärmeabstrahlung von den Gießformen sowohl nach innen zur Wärmesenke 9 (Pfeile 11a), als auch nach außen (zu den gekühlten Wandungsteilen der Vakuumkammer, Pfeile 11b) erfolgen kann.

Die Fig. 5 und 6 zeigen die Verhältnisse beim Stande der Technik mit einer kreisscheibenförmigen Kühlplatte 26 ohne eine besondere zentrale Wärmesenke: Die Wärmestrahlung der Strahlungsheizkörper 17 erfolgt zwischen den Gießkanälen 12 und den Gießformen 11 durch den Hohlraum H hindurch unge­ hindert auf deren Innenflächen (Fig. 5), und diese Wärme­ strahlung wird teilweise auch mehrfach reflektiert (Fig. 6). Dadurch wird aber auch der thermische Wirkungsgrad der gesamten Anlage verschlechtert, weil die Abstrahlung aus der Heizkammer nach unten hin nur teilweise verhindert wird.

Claims (11)

1. Verfahren zum gleichzeitigen Gießen und gerichteten Erstarren von mehreren Gußkörpern in vorgeheizten Gieß­ formen (11) mit jeweils mindesten einem Formhohlraum (24), wobei die Gießformen (1) um einen zentralen Hohl­ raum (H) herum auf einer ringförmigen Kühlplatte (5) stehend nach dem Abguß durch vertikale Relativbewegung gegenüber einer Heizkammer (14) nach Maßgabe der Erstar­ rungsgeschwindigkeit kontinuierlich aus dieser abgezogen und die Gußkörper durch Wärmeabstrahlung unter die Soli­ dus-Temperatur abgekühlt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießformen (11) während der gerichteten Erstar­ rung unter kontinuierlicher Relativbewegung der Kühl­ platte (5) gegenüber einer in den Hohlraum (H) eindrin­ genden Wärmesenke (9) bewegt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizkammer (14) und die Wärmesenke (9) relativ zur Kühlplatte (5) und den Gießformen (11) synchron bewegt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizkammer (14) und die Wärmesenke (9) gegenüber der Kühlplatte (5) angehoben werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Austrittsende der Heizkammer (14) ein ringförmiges Strah­ lungsbaffle (19) und zumindest im wesentlichen konzen­ trisch in diesem ein scheibenförmiges Strahlungsbaffle (20) angeordnet sind und daß die ringförmig angeordneten Gießformen (11) durch einen zwischen den beiden Strah­ lungsbaffles (19, 20) gebildeten Ringspalt (21) konti­ nuierlich in den Einflußbereich der Wärmesenke (9) bewegt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Abstand zwischen Heizkammer (14) und Wärmesen­ ke (9) während des Erstarrungsvorganges konstant gehalten wird.

6. Vorrichtung zum gleichzeitigen Gießen und gerichteten Erstarren von mehreren Gußkörpern in Gießformen (11) mit jeweils mindesten einem Formhohlraum (24), mit einer Heizkammer (14) und einer ringförmigen Kühlplatte (5) zum Aufstellen der Gießformen (11) in der Heizkammer (14) um einen zentralen Hohlraum (H) herum, wobei die Gießformen (11) nach dem Abguß durch vertikale Relativbewegung gegenüber der Heizkammer (14) nach Maßgabe der Erstar­ rungsgeschwindigkeit kontinuierlich aus dieser abziehbar und die Gußkörper durch Wärmeabstrahlung unter die Soli­ dus-Temperatur abkühlbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wärmesenke (5) vorhanden ist, in deren Einfluß­ bereich die Gießformen (11) während der gerichteten Erstarrung unter kontinuierlicher Relativbewegung gegen­ über der in den Hohlraum (H) eindringenden Wärmesenke (9) bewegbar sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß am Austrittsende der Heizkammer (14) ein ringförmiges Strahlungsbaffle (19) und zumindest im wesentlichen kon­ zentrisch in diesem ein scheibenförmiges Strahlungsbaffle (20) angeordnet sind und daß die ringförmig angeordneten Gießformen (11) durch einen zwischen den beiden Strah­ lungsbaffles (19, 20) gebildeten Ringspalt (21) konti­ nuierlich in den Einflußbereich der Wärmesenke (9) beweg­ bar sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Abstand zwischen Heizkammer (14) und Wärmesen­ ke (9) während des Erstarrungsvorganges konstant ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Kühlplatte (5) mit den Gießformen (11) auf einem Transportwagen (1) angeordnet ist, der eine Öffnung (8) aufweist, durch die die Wärmesenke (9) von einer Position (9a) unterhalb des Transportwagens (1) in eine Position oberhalb des Transportwagens (1) anhebbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke (9) als Kühlkörper ausgebildet ist, des­ sen axiale Länge mindestens den Höhenabmessungen der Gießformen (11) entspricht.

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 und 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das scheibenförmige Strahlungbaffle (20) während des Erstarrungsvorgangs auf der Wärmesenke (9) aufliegt und beim Absenken der Wärmesenke (9) unter den Transportwagen (1) auf dessen Oberseite (1a) absetzbar ist.